DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-026-02494-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41731208
تاريخ النشر: 2026-02-23
المؤلف: Xinyi Shen وآخرون
الموضوع الرئيسي: مواد البيروفسكايت وتطبيقاتها
نظرة عامة
تقدم البحث طريقة جديدة للتبخر المشترك لتصنيع خلايا شمسية من البيروفسكايت ذات فجوة نطاق واسعة، تستهدف بشكل خاص فجوة نطاق تبلغ 1.67 eV من خلال دمج مصدر مشترك PbCl₂ لتعزيز جودة الفيلم. تؤدي هذه الطريقة إلى أفلام بيروفسكايت ذات توجيه بارز (100) ‘وجه لأعلى’، محققة كفاءة معتمدة تبلغ 18.35% للأجهزة بحجم 0.25 سم² و18.5% للخلايا بحجم 1 سم²، مع وصول كفاءات المختبر إلى 19.3%. ومن الجدير بالذكر أن هذه الخلايا تحافظ على 80% من كفاءتها القصوى بعد 1,080 ساعة تحت بروتوكول اختبار ISOS-L-2.
بالإضافة إلى ذلك، تستخدم الدراسة التصوير الطيفي الفائق في العمليات للتحقيق في تباين الهاليد وإعادة التركيب المدعوم بالفخاخ، مما يربط الخصائص اللمعية المجهرية بأداء الجهاز العام. كما تسلط النتائج الضوء على تطوير خلايا بيروفسكايت على السيليكون بكفاءة 27.2%، والتي تظهر استقرارًا في الهواء الطلق، حيث تحتفظ بحوالي 80% من أدائها الأولي بعد ثمانية أشهر في إيطاليا. يبرز هذا العمل إمكانيات البيروفسكايت الهجين من المعادن الهاليد في تعزيز الطاقة الشمسية المعالجة عند درجات حرارة منخفضة، مع معالجة تحديات القابلية للتوسع والتصنيع المرتبطة بالطرق التقليدية المعتمدة على الحلول.
طرق
في هذه الدراسة، شملت إعداد مواد السلف للافلام البيروفسكايت استخدام مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية عالية النقاء، بما في ذلك يوديد الرصاص (II) (PbI₂)، بروميد الرصاص (II) (PbBr₂)، كلوريد الرصاص (II) (PbCl₂)، يوديد الفوراميدينيوم (FAI)، ويوديد السيزيوم (CsI)، من بين آخرين. تم الحصول على المواد من موردين موثوقين وشملت مكونات إضافية مثل Me-4PACz، MeO-2PACz، وI-4PACz، وهي مشتقات حمض الفوسفونيك، بالإضافة إلى جزيئات نانوية من أكسيد الألومنيوم والفوليرين-C₆₀. كانت المذيبات المستخدمة في العملية تشمل الإيثانول اللامائي، 2-بروبانول، N,N-ثنائي ميثيل الفوراميد (DMF)، ثنائي ميثيل سلفوكسيد (DMSO)، أنيسول، وكلوروبنزين، والتي تم الحصول عليها أيضًا بنقاء عالٍ.
تم استخدام جميع المواد كما هي، دون أي تنقية، وتم التعامل معها في صندوق قفازات مملوء بالنيتروجين لمنع التعرض للرطوبة والضوء. تم إعداد محاليل السلف عن طريق تحريك المكونات طوال الليل في صندوق القفازات، مما يضمن خليطًا متجانسًا قبل التطبيق. تعتبر هذه الطريقة الدقيقة في الإعداد ضرورية لتحقيق أفلام بيروفسكايت عالية الجودة في الإجراءات التجريبية اللاحقة.
نقاش
تركز قسم النقاش في ورقة البحث على تطوير وأداء خلايا الطاقة الشمسية من البيروفسكايت ذات فجوة نطاق واسعة (WBG) التي تم تصنيعها من خلال تقنيات التبخر المشترك، مع التركيز بشكل خاص على مزايا النمو الموجه لوجه البلورة واستخدام طبقات البذور. يقارن المؤلفون بين البيروفسكايت WBG التي تم تبخيرها بشكل مشترك، والتي تظهر فجوة نطاق تبلغ حوالي 1.67 eV، وبين البيروفسكايت التقليدية المودعة من مصدرين MAPbI3 وFAPbI3. يبرزون أن طريقتهم المعدلة للتبخر المشترك، التي تشمل كميات ضئيلة من PbCl2، تحسن بشكل كبير من بلورية وشكل الأفلام، مما يؤدي إلى حبيبات أكبر وأكثر تسطحًا واستقرارًا مع الظروف المحيطة. توضح الدراسة أن هذه الأفلام التي تم تبخيرها بشكل مشترك تتفوق على نظيراتها المعالجة من الحلول من حيث مقاومة التدهور، حيث تؤكد الأشعة السينية (XRD) وطيف الأشعة فوق البنفسجية والمرئية (UV-Vis) على معدلات تدهور أبطأ واحتفاظ أفضل بالمراحل النشطة ضوئيًا.
يحقق المؤلفون أيضًا في الاستقرار التشغيلي لخلايا PSCs التي تم إيداعها بالكامل في الفراغ، حيث يبلغون عن مقاييس أداء مثيرة للإعجاب، بما في ذلك جهد الدائرة المفتوحة (V_OC) يصل إلى 1.20 فولت وكفاءة نقطة القدرة القصوى (η_MPPT) تبلغ 19.3%. تحت ظروف الشيخوخة المعجلة، تحافظ خلايا PSCs التي تم تبخيرها بشكل مشترك على أكثر من 80% من أدائها الأقصى بعد فترات زمنية كبيرة، مما يتناقض بشكل حاد مع التدهور السريع الذي لوحظ في الخلايا المعالجة من الحلول. تؤكد النتائج على إمكانيات خلايا PSCs WBG التي تم تبخيرها بشكل مشترك لتحقيق استقرار طويل الأمد وكفاءة عالية، مما يضع معيارًا جديدًا في هذا المجال. بالإضافة إلى ذلك، تكشف المجهرية الطيفية الفائقة في العمليات عن رؤى حول آليات التدهور، مما يشير إلى أن الأفلام التي تم تبخيرها بشكل مشترك تظهر خصائص فوتولومينيسنس أكثر تجانسًا مقارنة بنظيراتها المعالجة من الحلول، والتي تطور تباينًا كبيرًا في الشكل مع مرور الوقت. تؤسس هذه الدراسة جدوى خلايا PSCs WBG التي تم تبخيرها بشكل مشترك للتطبيقات المستقبلية في تحويل الطاقة الشمسية عالية الأداء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-026-02494-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41731208
Publication Date: 2026-02-23
Author(s): Xinyi Shen et al.
Primary Topic: Perovskite Materials and Applications
Overview
The research presents a novel co-evaporation method for fabricating wide-bandgap perovskite solar cells, specifically targeting a bandgap of 1.67 eV by incorporating a PbCl₂ co-source to enhance film quality. This approach results in perovskite films with a pronounced (100) ‘face-up’ orientation, achieving a certified efficiency of 18.35% for 0.25 cm² devices and 18.5% for 1 cm² cells, with laboratory efficiencies reaching 19.3%. Notably, these cells maintain 80% of their peak efficiency after 1,080 hours under the ISOS-L-2 testing protocol.
Additionally, the study employs operando hyperspectral imaging to investigate halide segregation and trap-mediated recombination, linking microscopic luminescence characteristics to overall device performance. The findings also highlight the development of 27.2%-efficient perovskite-on-silicon tandem cells, which exhibit outdoor stability, retaining approximately 80% of their initial performance after eight months in Italy. This work underscores the potential of hybrid metal halide perovskites in advancing low-temperature-processed photovoltaics, addressing scalability and manufacturing challenges associated with traditional solution-based methods.
Methods
In this study, the preparation of precursor materials for perovskite films involved the use of various high-purity chemicals, including lead(II) iodide (PbI₂), lead(II) bromide (PbBr₂), lead(II) chloride (PbCl₂), formamidinium iodide (FAI), and caesium iodide (CsI), among others. The materials were sourced from reputable suppliers and included additional components such as Me-4PACz, MeO-2PACz, and I-4PACz, which are phosphonic acid derivatives, as well as nanoparticles of aluminium oxide and fullerene-C₆₀. Solvents used in the process included anhydrous ethanol, 2-propanol, N,N-dimethylformamide (DMF), dimethyl sulfoxide (DMSO), anisole, and chlorobenzene, all of which were also obtained in high purity.
All materials were utilized as received, without any purification, and were handled in a nitrogen-filled glovebox to prevent exposure to moisture and light. The precursor solutions were prepared by stirring the components overnight in the glovebox, ensuring a homogeneous mixture before application. This meticulous preparation method is crucial for achieving high-quality perovskite films in subsequent experimental procedures.
Discussion
The discussion section of the research paper focuses on the development and performance of wide bandgap (WBG) perovskite solar cells (PSCs) fabricated through co-evaporation techniques, particularly emphasizing the advantages of crystal-facet-directed growth and the use of seed layers. The authors compare their co-evaporated WBG perovskites, which exhibit a bandgap of approximately 1.67 eV, to traditional dual-source-deposited MAPbI3 and FAPbI3 perovskites. They highlight that their modified co-evaporation method, which includes trace amounts of PbCl2, significantly improves the crystallinity and morphology of the films, resulting in larger, flatter grains and enhanced stability under ambient conditions. The study demonstrates that these co-evaporated films outperform solution-processed counterparts in terms of degradation resistance, with X-ray diffraction (XRD) and UV-Vis spectroscopy confirming slower degradation rates and better retention of photoactive phases.
The authors further investigate the operational stability of their all-vacuum-deposited PSCs, reporting impressive performance metrics, including an open-circuit voltage (V_OC) of up to 1.20 V and a maximum power point efficiency (η_MPPT) of 19.3%. Under accelerated aging conditions, the co-evaporated PSCs maintain over 80% of their peak performance after significant durations, contrasting sharply with the rapid degradation observed in solution-processed cells. The findings underscore the potential of co-evaporated WBG PSCs to achieve long-term stability and high efficiency, setting a new benchmark in the field. Additionally, operando hyperspectral microscopy reveals insights into the degradation mechanisms, indicating that the co-evaporated films exhibit more uniform photoluminescence properties compared to their solution-processed counterparts, which develop significant morphological heterogeneity over time. This research establishes the viability of co-evaporated WBG PSCs for future applications in high-performance solar energy conversion.